KR101145127B1

KR101145127B1 - 공기 팽창기 설계방법

Info

Publication number: KR101145127B1
Application number: KR1020050102142A
Authority: KR
Inventors: 이준강
Original assignee: 한라공조주식회사
Priority date: 2005-10-28
Filing date: 2005-10-28
Publication date: 2012-05-14
Also published as: KR20070045643A

Abstract

본 발명은 공기 팽창기 설계방법에 관한 것으로, 그 목적은 3차원으로 구동되는 스크류 타입의 공기 팽창기에서 팽창비를 용이하게 설계하기 위해서 2차원 설계방법을 적용한 공기팽창기의 팽창비 설계방법을 제공함에 있다. 이는 에어싸이클에 적용되는 공기 팽창기 설계방법에 있어서, 회전되는 숫로터(10)의 외형을 임의적으로 선정하는 단계와, 상기 숫로터(10)를 임의의 가상선(A)을 기준으로 2차원 평면으로 전개하고, 흡입행정이 시작되는 위치에 가상의 입구(31a)를 선정하는 단계와, 상기 가상의 입구(31a)를 중심으로 하여 흡입행정이 끝난 시점까지 상기 로터를 회전시키는 단계와, 상기 흡입행정이 완료된 숫로터(10)를 더 회전시켜 팽창이 완료되는 시점까지 상기 숫로터(10)를 회전시키고, 가상의 출구(32a)를 선정하는 단계와, 상기 흡입행정과 팽창행정에 의해 선정된 체적에 의해 팽창비를 구하는 단계로 이루어진 것이다.

숫로터, 구동축, 임의의 가상선, 가상의 입구, 가상의 출구

Description

공기 팽창기 설계방법{DESIGN METHOD OF AIR EXPANDER}

도 1은 일반적인 에어싸이클의 기본 원리를 설명하기 위한 개념도 및 T - s 선도.

도 2는 종래에 따른 다른 에어싸이클을 나타낸 도면 및 T - s 선도.

도 3은 종래의 개방계 상태의 에어 싸이클의 개념도.

도 4는 종래의 개방계 상태의 다른 에어 싸이클의 개념도.

도 5은 일반적인 공기 팽창기를 나타낸 사시도.

도 6은 일반적인 공기 팽창기를 나타낸 단면도.

도 7은 본 발명에 따른 로터의 흡입면 측을 나타낸 사시도.

도 8은 본 발명에 따른 로터의 토출면 측을 나타낸 사시도.

도 9는 본 발명에 따른 로터를 임의의 가상을 기준으로 평면상에 나타낸 도면.

도 10은 본 발명에 따른 로터의 공기 흡입과정을 나타낸 도면.

도 11은 본 발명에 따른 로터의 공기 팽창과정을 나타낸 도면.

(도면중 주요 부분에 대한 부호의 설명)

10: 숫로터 11: 구동축

12: 돌출부 20: 암로터

21: 피동축 22: 홈부

30: 케이싱 31: 입구

31a: 가상의 입구 32: 출구

32a: 가상의 출구 40: 밀폐커버

50: 엔드커버 60: 기어부

70: 기어박스 100: 팽창기

본 발명은 공기 팽창기 설계방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 에어싸이클에 적용되는 공기 팽창기에서 2차원 설계기법을 도입해서 적절한 팽창비를 설계하도록 하는 공기 팽창기 설계방법에 관한 것이다.

일반적으로 지구 온난화 및 환경문제의 대두로 현재까지 사용되었던 R134a 냉매를 대체하기 위해 전 세계의 냉동회사들은 대체 냉매 시스템 개발에 주력하고 있으며, 특히 냉매 자체를 교체하기 보다는 환경친화적이며 안전하고 효율이 높은 새로운 시스템이 연구되고 있다.

그 중 최근에 가장 유력한 대체 싸이클로 거론되고 있는 것이 역-브레이튼(Bryton) 싸이클이라 불리우는 에어싸이클(Air Cycle)이며, 상기 에어싸이클은 공기를 냉매로 사용하는 시스템이며 가스 동력싸이클로서 최초로 개발된 Bryton 싸이클을 역으로 가동하므로써 냉동효과를 얻는 싸이클이다.

도 1은 일반적인 에어싸이클의 기본 원리를 설명하기 위한 개념도 및 T - s 선도를 나타내고 있다.

도시한 바와 같이 에어싸이클은 압축기(1), 팽창기(2), 고온 열교환기(3) 및 저온 열교환기(4)로 구성되어 압축과정(1→2), 온도하강과정(2→3), 팽창과정(3→4) 및 온도상승과정(4→1)를 거치면서 싸이클을 구성하게 된다.

상기 압축과정(1→2)은 공기가 압축기(1)로 유입되어 압축과정을 통해 압력과 온도가 상승하게 되는 과정이다.

상기 온도하강과정(2→3)은 압축된 고압.고온의 공기는 고온 열교환기(3)를 통해 외부 열원으로 열을 전달하며 등압(실제로는 약간의 압력강하 존재)조건에서 온도가 감소하는 과정이며, 이때 외부 열원으로 전달된 고온의 열은 공조 공간을 난방하거나 더운 물을 얻어 내는 열원으로 사용할 수 있다.

상기 팽창과정(3→4)은 온도가 하강한 공기를 팽창기(2)(압축기와 비숫한 구조)를 사용함으로써 압력을 떨어 뜨리고 공기 온도는 영하 이하로 까지 하강하게 된다.

이때 팽창기(2)에서 뽑아낸 일은 전기를 발생시키는 동력으로 사용되거나 압축기(1)로 되돌려서 압축일을 도울 수 있게 함으로써 압축기(1)의 소모동력을 감소시킬 수 있다.

상기 온도상승과정(4→1)은 온도와 압력이 하강한 공기가 저온 열교환기(4)를 통과하며 온도가 상승하게 되며, 이때 공조공간으로부터 열을 흡수하므로 냉방(또는 냉동)역할을 수행하게 된다.

상기에서 에어싸이클의 효율은 압축기(1)와 팽창기(2)의 효율에 크게 의존하게 되는데 과거에는 이 두 부품의 효율이 약 80% 이하에 머물러 시스템의 전체효율이 낮다는 단점이 있었으나, 최근들어 이 부품의 등엔트로피 효율의 상승으로 전체효율이 80% 이상을 상회하고 있다.

다시말해, 압축기(1)의 효율이 낮을 시에는 압축기(1)의 동력이 증가하게 되고, 압축온도는 상승하게 되며 (도 2의 (1→2) 참조) 팽창기의 효율이 낮을 시에는 충분한 저온을 얻을 수 없기 때문에 냉방성능이 감소하기 때문이다.(도 2의 (3→4) 참조)

도 2는 종래에 따른 다른 에어싸이클을 나타낸 도면 및 T - s 선도를 나타내고 있다.

도시한 바와 같이 종래의 다른 에어싸이클은 시스템의 냉방성능과 COP를 상승시키기 위해 고온 열교환기(3) 출구측의 고온과 저온 열교환기(4) 출구측의 저온을 서로 열교환시켜 팽창기(1)의 입구측의 공기온도를 더욱 감소시킴으로써 팽창후 공기냉매의 온도를 더욱 낮게 하여 전체 성능을 상승시키는 역할을 하는 재생기(5)를 사용하는 것이 일반적이다.

그러나, 에어 싸이클에서는 공기자체가 냉매가 되므로 싸이클을 거친 공기를 직접 냉방 및 난방에 사용하는 개방계 시스템을 사용하게 된다.

도 3은 종래의 개방계 상태의 에어 싸이클의 개념도이고, 도 4는 종래의 개방계 상태의 다른 에어 싸이클의 개념도이다.

도시한 바와 같이 개방계 상태의 에어 싸이클은 저온측 열교환기(4)가 없는 형태이며, 인터쿨러(6)을 통과하여 팽창기(2)에서 유출되는 차가운 공기를 직접 공조공간에 공급하여 냉방을 실현하게 된다.

또한, 도 4는 개방계 시스템의 효율 향상을 위해 재생기를 장착한 에어 싸이클 시스템을 나타내고 있다.

상기의 재생기(5)를 장착한 개방계 시스템의 에어 싸이클은 인터쿨러(6)에서 온도가 하강한 공기는 공조공간에서 순환되는 차가운 공기와 재생기(5)에서 열교환한 후 온도가 더욱 감소하여 팽창기(2)로 유입되고, 상기 팽창기(2)를 통과한 등엔트로피 변화를 거친 공기는 재생기(5)가 없을 때보다 온도가 더욱 감소하여 보다 높은 냉방 성능을 얻을 수 있다.

지금까지 설명한 에어 싸이클 시스템에서 효율 향상의 가장 중요한 인자는 각 부품의 효율 특히, 압축기와 팽창기의 효율이다.

상기 압축기(1)는 수 백년 전부터 개발 사용되어 왔기 때문에 기술적인 진보가 상당히 진행되어 있지만, 상기 팽창기(2)는 대부분이 원심식(Turbo Blower)이 주류를 이루고 있다.

그러나, 스크류 타입의 팽창기는 이론적 기술과 자료는 상대적으로 부족한 상태이며, 압축기의 압력비와 대응되는 팽창기의 팽창비와의 적절한 조화가 중요한데 이에 필요한 팽창비의 설계방법이 미흡한 실정이다.

본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 그 목적은 3차원으로 구동되는 스크류 타입의 공기 팽창기에서 팽창비를 용이하게 설계 하기 위해서 2차원 설계방법을 적용한 공기팽창기의 팽창비 설계방법을 제공함에 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 에어싸이클에 적용되는 공기 팽창기 설계방법에 있어서, 회전되는 숫로터(10)의 외형을 임의적으로 선정하는 단계와, 상기 숫로터(10)를 임의의 가상선(A)을 기준으로 2차원 평면으로 전개하고, 흡입행정이 시작되는 위치에 가상의 입구(31a)를 선정하는 단계와, 상기 가상의 입구(31a)를 중심으로 하여 흡입행정이 끝난 시점까지 상기 로터를 회전시키는 단계와, 상기 흡입행정이 완료된 숫로터(10)를 더 회전시켜 팽창이 완료되는 시점까지 상기 숫로터(10)를 회전시키고, 가상의 출구(32a)를 선정하는 단계와, 상기 흡입행정과 팽창행정에 의해 선정된 체적에 의해 팽창비를 구하는 단계로 이루어진 것이다.

또한, 상기 숫로터(10)의 외형을 임의적으로 선정하는 단계는 외경(D), 높이(H) 및 나사산의 각도를 선정하도록 이루어진 것이다.

또한, 상기 가상의 출구(32a)를 선정하는 단계에서 상기 가상의 출구(32a)는 임의의 가상선(A)의 일측 단부에서 상기 숫로터(10)의 반경(R)만큼 이동되어진 것이다.

또한, 상기 팽창비를 구하는 단계는 공기를 이상기체로 가정하여 기체상태방정식에 의해 구하도록 하는 것이다.

또한, 상기 팽창비를 구하는 단계에서 상기 팽창비는 1.5 ~ 3.0의 값을 갖도록 하는 것이다.

이하 본 발명의 공기 팽창기의 팽창비 설계 방법을 설명하기 전에 본 발명에 설계방법이 적용되는 일반적인 공기 팽창기를 첨부된 도면을 참고하여 설명한다.

도 5은 일반적인 공기 팽창기를 나타낸 사시도이고, 도 6은 일반적인 공기 팽창기를 나타낸 단면도이다.

도시한 바와 같이 공기 팽창기(100)는 구동축(11)에 축 결합되고, 외면에 나선형의 돌출부(12)를 갖는 숫로터(10)와, 상기 숫로터(10)에 연동되도록 피동축(21)에 축 결합되고, 상기 돌출부(12)에 대응되는 나선형의 홈부(22)로 이루어진 암로터(20)와, 상기 숫로터(10)와 암로터(20)의 회전에 의해 공기의 압축공간을 형성하고, 공기의 유입 및 유출이 이루어지는 입구(31) 및 출구(32)가 축에 직각방향으로 양면에 형성되어진 케이싱(30)과, 상기 케이싱(30)의 양단부를 폐쇄시키는 밀폐커버(40) 및 엔드커버(50)와, 상기 밀폐커버(40)의 일측에 상기 구동축(11)과 피동축(21)에 각각 축결합되어 동력을 전달하는 기어부(60)와, 상기 기어부(60)를 커버하는 기어박스(70)로 구성되어 있다.

상기와 같이 구성된 공기 팽창기(100)는 에어 싸이클 상에 배치시킨 상태에서 구동축(11)이 회전하게 되면 구동축(11)에 축 결합된 숫로터(10)가 회전되며, 상기 숫로터(10)가 회전되면 피동축(21)에 결합되어진 암로터(20)가 회전하게 됨으로서, 입구(31)를 통해 유입된 공기가 숫로터(10)와 암로터(20) 사이의 캐비티(C)(Cavity)에서 팽창되어 출구(32)측으로 팽창된 공기가 토출되는 것이다.

상기와 같이 구성된 공기 팽창기에서 효율의 향상을 위해서는 팽창비를 적절하게 선정하여야 되는데 이는 3차원으로 구동되는 로터를 2차원의 평면으로 전개하게 된다.

이를 위해서 도 7 및 도 8은 공기 팽창기(100)에서 케이싱(30) 및 엔드캡(50)을 제거한 상태에서 숫로터(10) 및 암로터(20) 부위를 상세히 나타내었다.

상기에서 숫로터(10)에 가상의 임의선(A)을 설정하고, 가상의 입구(31a) 및 출구(32a)의 위치를 설정하게 되며, 이와 같은 상태에서 숫로터(10)의 골지름을 D라 하고, 높이를 H라고 하여 이를 도 9에 도시한 바와 같이 가상의 임의선(A)을 기점으로 하여 숫로터(10)를 전개하게 되면, 길이는 πD가 되고, 높이는 H인 직사각형의 전개도가 된다.

또한, 임의의 가상선(A)의 좌측 하단부의 미세 영역을 기준 캐비티로 하여 가상의 입구(31a)에서 숫로터(10)를 반시계방향으로 회전시키게 되면 가상의 입구(31a)를 통해 기준 캐비티(C)로 공기가 흡입되기 시작하다.

기준 캐비티(C)로 공기가 흡입되어 도 10에 도시한 바와 같이 흡입행정이 완료된 시점이 기준점에서 이동한 거리를 Y라고 하면, 숫로터(10)가 회전한 각도는 X°= 360°× Y/πD 라는 식(이하 "식1"이라 함)을 얻을 수 있으며, 이때의 기준 캐비티(C)의 면적은 A1인 된다.

물론 이때 가상의 입구(31a) 위치와 크기에 따라 X°, Y 및 A1의 면적은 가변적이다.

숫로터(10)가 반시계 방향으로 더 회전하게 되면 도 11에 도시한 바와 같이 팽창이 시작되고 팽창이 완료되는 시점은 전체 회전각도 360°에서 X°만큼을 뺀 360°- X°이고, 진행된 거리를 Z라고 하면, Z=πD×(360°- X°)/360°라는 식(이하 "식2"이라 함)을 얻을 수 있으며, 기준 캐비티의 면적은 A2가 된다.

상기에서 팽창이 완료된 시점에서 바로 저온, 저압의 공기가 토출될 수 있도록 가상의 출구(32a)가 위치되어야 하며, 이렇게 함으로써, 팽창된 공기를 출구로 토출함과 동시에 반대편의 입구에서는 다시 압축공기를 흡입하게 되는 시작점이 되므로 숫로터가 회전하면서 흡입 및 토출이 연속적으로 이루어지게 된다.

그리고, 2차원으로 출구의 위치를 표시하기 위해서는 임의의 가상선(A)의 끝단에서 숫로터 골지름 D의 반경 R(R=D/2)만큼 이동시켜 표시하며, 이는 처음 로터를 임의의 가상선(A)을 기준으로 전개하였을 때 숫로터(10)의 중심축 대비 반경만큼 벗어난 지점에서 기준점을 잡았기 때문이다.

상기와 같은 상태에서 공기를 이상기체로 가정하게 되면 팽창비는 P_in/P_out=(V_out/V_in)^k의 식(이하 "식3"이라 함)을 얻을 수 있다.

여기에서 공기의 비열비 K는 사용구간에서 상수 1.4로 취급할 수 있고, 나사산의 높이를 L이라 했을 때 팽창기의 입구의 압력 P_in=P_out(V_out/V_in)^k=P_out(L×A2/L×A1)^k=P_out(A2/A1)^k라는 식(이하 "식4"라고 함)을 얻을 수 있다.

상기에서 구한 팽창비(A2/A1)^k는 돌출부의 개수를 증가시킴에 따라 다양한 값을 얻을 수 있으나 대략 1.5 ~ 3.0의 값을 갖게 되며 설계된 팽창비에 따라 이에 맞춘 압력비를 갖는 압축기를 장착하게 되면 에어 싸이클 시스템을 설계할 수 있는 것이다.

즉, 출구의 압력은 대기압이므로 P_out은 기준 대기압 즉, 101.325KPa로 할 수 있으므로 상기에서 구한 팽창비와 출구 압력을 곱하면 압축기의 입구 압력을 구할 수 있게 된다.

이상 상세히 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 공기 팽창기 설계방법은 2차원 설계방법을 적용하여 3차원으로 구동되는 스크류 타입의 공기 팽창기에서 팽창비를 용이하게 설계할 수 있다.

Claims

에어싸이클에 적용되는 공기 팽창기 설계방법에 있어서,

회전되는 숫로터(10)의 외형을 임의적으로 선정하는 단계와,

상기 숫로터(10)를 임의의 가상선(A)을 기준으로 2차원 평면으로 전개하고, 흡입행정이 시작되는 위치에 가상의 입구(31a)를 선정하는 단계와,

상기 가상의 입구(31a)를 중심으로 하여 흡입행정이 끝난 시점까지 상기 로터를 회전시키는 단계와,

상기 흡입행정이 완료된 숫로터(10)를 더 회전시켜 팽창이 완료되는 시점까지 상기 숫로터(10)를 회전시키고, 가상의 출구(32a)를 선정하는 단계와,

상기 흡입행정과 팽창행정에 의해 선정된 체적에 의해 팽창비를 구하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 공기 팽창기 설계방법.
제1항에 있어서, 상기 숫로터(10)의 외형을 임의적으로 선정하는 단계는 외경(D), 높이(H) 및 나사산의 각도를 선정하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 공기 팽창기 설계방법.
제1항에 있어서, 상기 가상의 출구(32a)를 선정하는 단계에서 상기 가상의 출구(32a)는 임의의 가상선(A)의 일측 단부에서 상기 숫로터(10)의 반경(R)만큼 이동되어진 것을 특징으로 하는 공기 팽창기 설계방법.
제1항에 있어서, 상기 팽창비를 구하는 단계는 공기를 이상기체로 가정하여 기체상태방정식에 의해 구하도록 하는 것을 특징으로 하는 공기 팽창기 설계방법.
제1항에 있어서, 상기 팽창비를 구하는 단계에서 상기 팽창비는 1.5 ~ 3.0의 값을 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 공기 팽창기 설계방법.